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Die Badische Zeitung berichtete unter dem Titel Zeit für Technik, Chemie und Physik über die Abschlussveranstaltung des Seminarjahres 2017/2018, welche im Großen Hörsaal der Chemie der Universität Freiburg stattfand.

Digital-holographisches Mikroskop

Am vergangenen Donnerstag präsentierten die Schülerinnen und Schüler des Freiburg-Seminars, wie eine erfolgreiche Kooperation mit einem externen Forschungsinstitut und über Fachgrenzen hinweg aussehen kann: Im Rahmen des Projekts „HolMOS – Digital-holographisches Mikroskop für OpenScience“ entwickelten zwei Physik-AGs unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt im Laufe der letzten zwei Jahre einen Prototyp, mit dem 3D-Mikroskopbilder für Schulen und private Interessierte erschwinglich werden sollen (siehe unsere vorigen Beiträge). In diesem Schuljahr waren auch die Schülerinnen und Schüler der Biologie-AG „Mikroskopie“ mit im Boot, die von Nikolaus Ruf geleitet wurde. Die Biologie-AG erkundete zunächst die Möglichkeiten der klassischen Mikroskopie, um dann den entstehenden Prototyp des neuen Mikroskops intensiv zu testen und seine Möglichkeiten auszuloten. Die Ergebnisse wurden nun im Rahmen eines Experimentalvortrags vorgestellt.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Externer Kooperationspartner des Freiburg-Seminars ist das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, als dessen Vertreter Dr. Andreas Hofmann beim Abschlussvortrag dieses Schuljahrs anwesend war. Außerdem durften wir Frau Parissius begrüßen, die Leiterin von TheoPrax beim Fraunhofer Institut für Chemische Technologie. Sie unterstützte die Schüler/innen der Physik-AG beim Projektmanagement.

Um die komplexen Anforderungen der Entwicklung zu bewerkstelligen, hat sich die Physik-AG in verschiedene Teams aufgeteilt, die im Rahmen des Vortrags ihren Arbeitsstand vorstellten.

Zunächst wurde der bisherige Werdegang des Mikroskops erläutert, in dessen Verlauf zunächst prinzipielle Konstruktionsmöglichkeiten mit Hilfe von hochwertigen, von der Universität zur Verfügung gestellten Komponenten getestet wurde. Mit diesen konnte ein sinnvoller Strahlengang sowie die Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander ermittelt werden. Für das geplante Endprodukt sind diese Komponenten allerdings zu teuer, so dass später günstigere Lösungen gefunden wurden.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Das Laser-Team erklärte, wie sie über verschiedene aufwändig selbst gebaute Lösungen nun bei einem Laserpointer als Lichtquelle gelandet sind. Der Laser ist ein zentraler Bestandteil des Mikroskops. Sein Licht wird dazu benutzt, die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts abzutasten. Der reflektierte Anteil wird mit einem Referenzstrahl verglichen und so ein 3D-Bild errechnet. Dieses entsteht durch die Anwendung komplexer Algorithmen nach der Methode der Fast-Fourier-Transformation. Die Rechenarbeit wird auf einem günstigen Mini-Computer (Raspberry Pi) durchgeführt. Die Raspberry Pi-Gruppe hat sich hierzu in dieses schwierige informatische Feld eingearbeitet und – um die Sache für spätere Endanwender zu vereinfachen – ein eigenes Programm entwickelt, mit dem die Auswertung nun grafisch bedient werden kann. So müssen spätere Nutzer des Mikroskops den Code nicht selbst verstehen.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

In einem weiteren Abschnitt des Vortrags stellte die CAD-Gruppe ihre Arbeit vor. CAD steht für „Computer Aided Design“ – Computer-unterstütztes Design, was in dieser Gruppe zur Anwendung kam, um die einzelnen Halterungen für die zahlreichen Komponenten des Mikroskops zu entwerfen. Diese wurden dann auf einem 3D-Drucker gefertigt. Die Herausforderung dieser Gruppe besteht darin, die Teile möglichst klein und dennoch robust und genau zu gestalten. Später werden dann die Vorlagen-Dateien der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt, so dass jeder, der Zugang zu einem 3D-Drucker hat, die Bauteile selbst herstellen kann.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Nach einer Zusammenfassung und dem ausführlichen Dank an die vielen externen Beteiligten übernahm die Biologie-AG die Bühne. Die Schülerinnen und Schüler erläuterten, wie sie sich zunächst zu Beginn ihres Projektteils in die klassische Lichtmikroskopie einarbeiteten, um deren Möglichkeiten auszuloten und so eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, welche Anwendungen und Präparate sich für die digital-holographische Mikroskopie eignen könnten. Im Lauf des Schuljahrs intensivierte sich dann die Zusammenarbeit mit den Physik-AGs. Das Testen der entwickelten Prototypen aus der Physik-AG war für beide Seiten spannend: Die Schülerinnen und Schüler der Physik-AG konnten so zum ersten Mal erleben, wie ihre Komponenten von neuen Nutzern eingesetzt und bedient werden. Und die Schülerinnen und Schüler der Biologie-AG konnten zum ersten Mal vergleichen, welche Möglichkeiten der neue mikroskopische Ansatz gegenüber der klassischen Mikroskopie bietet.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Es wurde deutlich, dass das Projekt HolMOS dieses Schuljahr einen enormen Schritt nach vorn gemacht hat. Der vorhandene Prototyp ist bereits beachtlich klein und besteht aus erschwinglichen Komponenten. Die Dokumentation wurde intensiv betrieben und erste Anleitungen für den Einsatz stehen bereit. Im kommenden Schuljahr geht es nun auf die Zielgerade: Bis Ende Januar 2019 werden die Arbeiten mit den Schülergruppen beendet sein. Wir freuen uns auf das zu erwartende Ergebnis.

Schon jetzt ist aber sehr klar geworden, dass die Schülerinnen und Schüler der beteiligten AGs etwas Unschätzbares erfahren haben: Sie konnten erleben, wie spannend, herausfordernd und faszinierend Forschung und Entwicklung sein können und dass man als großes, fächerübergreifendes Team mit Fachwissen und Engagement viel erreichen kann. Wir danken allen Beteiligten für Ihre hervorragende Arbeit!

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Vor einigen Tagen ging das Projekt HOLmos – Digital-holographisches Mikroskop for OpenScience in die nächste Etappe. Zwei Physik-AGs des Freiburg-Seminars haben unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt im Laufe der letzten 1 ½ Jahre einen Mikroskop-Prototyp entwickelt, der es ermöglichen soll, 3D-Mikroskopbilder für Schulen und private Interessierte erschwinglich zu machen (siehe unsere vorigen Beiträge). Dabei kooperiert das Freiburg-Seminar mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik, als dessen Vertreter Dr. Tobias Beckmann anwesend war. Er ist auch der Hauptansprechpartner der Physik-AG für technische Fragen. Zusätzlich konnten wir Frau Parissius, Leiterin von TheoPrax beim Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, begrüßen. Sie unterstützt die Schüler/innen beim Projektmanagement.

Seit diesem Schuljahr ist nun eine Biologie-AG unter der Leitung von Nikolaus Ruf mit im Projekt, um mögliche Anwendungen auszuloten und den Prototypen unter schulischen Nutzungsbedingungen zu testen. Nachdem sich die Schüler/innen der Biologie-AG in den vergangenen Monaten intensiv mit klassischer Mikroskopie beschäftigt hatten, kamen die beiden Teams nun am  01.03.2018 zusammen, um künftig eng gemeinsam an der technischen Weiterentwicklung des HOLmos-Mikroskops zu arbeiten. Die Schüler/innen der Physik-AG stellten ihren Arbeitsstand vor und wiesen ihre Kolleg/innen der Biologie-AG ein, wie das Mikroskop bis jetzt funktioniert und welche Tests damit schon möglich sind.

Das Physik-Team hat sich in verschiedene Arbeitsgruppen aufgeteilt. Zunächst zeigte die Mikroskop-Gruppe, wie der Grundaufbau des Strahlengangs ermittelt und unter anderem mit der Software GeoGebra simuliert wurde. Als nächstes erläuterten die Schüler der CAD-Gruppe, welche Bauteile sie entworfen und mit dem 3D-Drucker produziert haben. Diese Bauteile tragen alle relevanten Teile des Mikroskops und ermöglichen es, diese flexibel auf einer kostengünstigen Metallschiene zu montieren. Im Anschluss zeigte die Gruppe „Raspberry Pi“, wie weit die Entwicklung der bildgebenden Software bereits vorangeschritten ist. Schließlich zeigte die Gruppe „Stromtreiber“ ihren Arbeitsstand. Ihre Aufgabe ist es, eine gleichmäßige und zuverlässige Stromquelle zur Verfügung zu stellen, die zum Betrieb des Messlasers zwingend erforderlich ist.

Nach dem Vortrag tauschten sich die Gruppen zusammen mit den Lehrern und den anwesenden Experten intensiv aus, um die weiteren Schritte zu planen und so das Projekt bis zum Ende des Schuljahrs weiter voran zu bringen.

Vortrag

Die Ergebnisse der Arbeit in diesem Schuljahr werden am 05.07.2018 beim Vortrag der Physik-AG präsentiert. Der Vortrag beginnt um 17:30 Und und findet im Vortragssaal der Richard-Fehrenbach Gewerbeschule in Freiburg statt.
   

Unter dem Titel Projekt „Digital-holographisches Mikroskop für Open Science“ ging in zweite Runde berichtete die die Website regiotrends.de am 19.10.2017 über das HolMOS-Projekt.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Vor einigen Tagen ging ein bemerkenswertes Projekt in die zweite Runde: Schülerinnen und Schüler  des Freiburg-Seminars für Mathematik und Naturwissenschaften trafen sich mit Forschern des Fraunhofer Instituts für Physikalische Messtechnik, um in das zweite Jahr des Projekts „HolMOS“ zu starten. Die Abkürzung steht für „Digital-holographisches Mikroskop für Open Science“. Dahinter verbirgt sich das Vorhaben, die bisher nur für Profis verfügbare und sehr teure Messtechnik der digitalen Holographie für Schulen und private Anwender zugänglich und erschwinglich zu machen.

Um dieses Ziel zu erreichen, bringen die Forscher des Fraunhofer IPM u.a. ihr Know-How und ihre bereits entwickelten Profi-Komponenten ein, die Schülerinnen und Schüler der Physik-Arbeitsgemeinschaft unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt forschen während ihrer wöchentlichen Treffen daran, wie diese Komponenten durch günstige Alternativen ersetzt werden können. Während des ersten Projektjahrs wurden hier bereits sehr gute Fortschritte gemacht, die bei verschiedenen Anlässen auch schon der Öffentlichkeit vorgestellt wurden.

Neu in diesem Schuljahr ist die Mitarbeit einer Biologie Arbeitsgemeinschaft unter der Leitung von Nikolaus Ruf: Die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler dieser AG wird es sein, Anwendungsfelder für den schulischen Einsatz zu finden und zu dokumentieren. Außerdem soll diese Gruppe die Prototypen testen, die in der Physik-AG entwickelt werden. Schließlich kommt allen Schülerinnen und Schüler die wichtige Aufgabe zu, ihre Entwicklungsarbeit so in allgemein verständliche Anleitungen zu übersetzen, dass später alle Interessierten mit den neu entwickelten Geräten arbeiten können.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Bei der Kick-Off-Veranstaltung, die im Gebäude des Fraunhofer IPM in Freiburg stattfand, gab Dr. Tobias Beckmann den Schülerinnen und Schülern sowie ihren betreuenden Lehrern zunächst einen Überblick über die Kernpunkte der Technologie, die im Projekt zum Einsatz kommt. Ein Teil der Schüler war zwar schon im letzten Jahr dabei, viele sind aber auch neu dazu gekommen. Außerdem legte er den einzelnen Gruppen dar, welche Arbeitspakete sie dieses Jahr erwarten und in welchem zeitlichen Rahmen die Ergebnisse möglichst vorliegen sollten.

Anschließend wurden die Schülerinnen und Schüler von Dr. Alexander Bertz und Annelie Schiller durch die Räumlichkeiten des Fraunhofer IPM geführt, wo sie sich einen Eindruck verschaffen konnten, wie die Arbeit der Forscher dort aussieht.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Die Entwicklung dieses Mikroskops erfordert nicht nur physikalisch-technisches Fachwissen, in das sich die Schülerinnen und Schüler einarbeiten müssen. Auch das Projektmanagement ist eine wichtige Komponente. Bei der Erarbeitung der entsprechenden Methoden und Kenntnisse werden die Schülerinnen und Schüler von Dr. Martina Parrisius begleitet, die das TheoPrax-Zentrum des Fraunhofer Instituts für Chemische Technologie in Pfinztal leitet.

Am Ende der gelungenen Veranstaltung erinnerte Andreas Kalt, Koordinator des Projekts auf Seiten des Freiburg-Seminars, die Schülerinnen und Schüler daran, dass sie durch ihr Interesse und ihr Engagement eine spannende Kooperation voranbringen, die ihnen wertvolle Einblicke in den Arbeitsalltag zwischen universitärer Forschung und industrieller Anwendung ermöglicht.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

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Am vergangenen Dienstag ging das Seminarjahr im Freiburg-Seminar offiziell mit der traditionellen Abschlussveranstaltung zu Ende. Dieses Jahr stellten zwei Physik-AGs ihre Arbeit vor, die während des Jahres spannendes Neuland betreten hatten: In Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg, das an diesem Abend durch Herr Dr. Fratz vertreten wurde, entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein digital-holographisches Mikroskop. Solche Geräte kosten bisher viele tausend Euro und sind somit für Privatleute und v.a. Schulen unerschwinglich. Das Ziel des Projektes ist es nun, einen Bausatz zu entwickeln, mit dem sich ein handelsübliches KOSMOS-Mikroskop für unter 200 Euro entsprechend aufrüsten lässt.

Die Schülerinnen und Schüler der beiden beteiligten Physik-AGs hatten sich in verschiedene Arbeitsgruppen aufgeteilt, um die vielfältigen und komplexen Aufgaben besser bewältigen zu können. Wie man sich in so einer großen Gruppe organisiert und wie man Projekte plant, hatten sie mit Hilfe der TheoPrax-Methode gelernt, die vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie entwickelt wurde. Frau Parrisius vertrat als Leiterin des TheoPrax-Zentrums ihr Institut und verlieh den Schülerinnen und Schüler am Ende auch ihre TheoPrax-Zertifikate.

Im Rahmen des Vortrags stellten die einzelnen Projektgruppen ihre jeweiligen Fortschritte vor. So zeigte die Raspberry-Pi Gruppe, dass sie bereits erste Interferenzbilder aufnehmen können. Die Mikroskop-Gruppe demonstrierte, wie sich der geplante Aufbau des Mikroskops im Laufe der Monate verändert hatte, um den Objektstrahl mit dem notwenigen Laser-Referenzstrahl im korrekten Winkel kombinieren zu können. Die Gruppe „Interferometer“ hatte ihren Messansatz von einem Lego-basierten Interferometer weiter entwickelt zu einem Gerät mit hochwertigeren optischen Elementen, die Herr Prof. Fiederle vom Freiburger Materialforschungszentrum freundlicherweise zur Verfügung gestellt hatte. Schließlich wurde auch schon eine Handreichung entworfen, mit der spätere Benutzer den Bausatz selbst realisieren können sollen. Die Anleitung wurde schon einer achten Klasse zum Test vorgelegt, um die Umsetzbarkeit durch Schülerinnen und Schüler zu testen. Bei all diesen praktischen Erfolgen darf man auch die Controlling-Gruppe nicht vergessen, deren anspruchsvolle Aufgabe es war, die Arbeit der anderen Gruppen zu koordinieren und zu prüfen, ob alles nach Plan läuft.

Alle Gruppen haben im Laufe des ersten Projektjahres herausragende Arbeit geleistet, die im gemeinsam geführten Projektwiki dokumentiert wurde. So kann das HolMOS-Projekt (Digital-holographisches Mikroskop for Open Science) auf ein erfolgreiches erstes Jahr zurückblicken. Für das zweite Projektjahr stehen nun in allen Gruppen weitere Verbesserungen und Weiterentwicklungen an. Ein Teil der Schülerinnen und Schüler hat dieses Jahr Abitur gemacht und verlässt daher das Freiburg-Seminar, vierzehn Schülerinnen und Schüler arbeiten zusammen mit einigen Neuen im kommenden Schuljahr weiter.

Wechsel an der Spitze des Freiburg-Seminars

Nach vierzehn Jahren in der Leitung des Freiburg-Seminars für Mathematik und Naturwissenschaften wurde Herr Erens am vergangenen Dienstag bei der Abschlussveranstaltung des Seminarjahres 2016/2017 verabschiedet. Herr Erens scheidet zum 1. August aus dem Leitungsteam des Freiburg-Seminars aus – ab nächstem Schuljahr führen Herr Dr. Eppinger und Herr Kilian die Geschäfte in der Leitung des Freiburg-Seminars weiter.
Herr Erens hat die Entwicklung des Freiburg-Seminar in seiner Amtszeit entscheidend geprägt und durch seine Arbeit u.a. dazu beigetragen, dass das Angebot an Arbeitsgemeinschaften heute deutlich größer ist als zu Beginn seiner Amtszeit. Somit können aktuell pro Schuljahr ca. 250 besonders talentierte und motivierte Schülerinnen und Schüler im Freiburg-Seminar gefördert werden im Gegensatz zu ca. 100 pro Schuljahr zu Beginn seiner Amtszeit. Herr Dr. Epppinger würdigte als zweiter Seminarleiter diese und viele weitere Leistungen von Herrn Erens und verabschiedete sich von seinem Co-Leiter sehr herzlich „mit einem lachenden und einem weinenden Auge“. Lachend deswegen, weil Herr Erens auf eigenen Wunsch in die mathematik-didaktische Forschung und Lehrerausbildung an die Universität Freiburg wechselt – ein Aufgabenfeld, das ihm ebenfalls seit langem am Herzen liegt. Auch der Vorsitzende des Kuratoriums Prof. Schäfer fand sehr positive Worte sowohl für die Arbeit von Herrn Erens als auch, an die anwesenden Schülerinnen und Schüler gewandt, für die Chancen, die ihnen das Freiburg-Seminar bietet.

Somit ging das Seminarjahr 2016/2017 erfolgreich und harmonisch zu Ende. Im Hintergrund laufen bereits die Planungen für das nächste Seminarjahr, das am 21.09.2017 um 17:30 Uhr im Vortragssaal der Richard-Fehrenbach Gewerbeschule eröffnet werden wird.

Der Vortragssaal der Richard-Fehrenbach Gewerbeschule erinnerte an ein Physik-Labor als die Schülerinnen und Schüler der AG „HolMOS: Angewandte Physik/Wellen und Quanten“ am vergangenen Donnerstag die ersten Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit vorstellten. Sie arbeiten an einem „Digital-holographischen Mikroskop for OpenScience (HolMOS)“. Das Projekt hat zum Ziel, ein Mikroskop zu entwickeln, mit dem man 3D-Bilder von schulischen Präparaten anzeigen kann – und das zu einem Preis von ca. 200 EUR pro Mikroskop. So wäre es für Schulen erschwinglich und könnte überall den Unterricht bereichern, im Gegensatz zu den Tausende von Euros teuren Lösungen, die es heute zwar dafür gibt, die aber aufgrund der Kosten nicht in Schulen stehen.

Das Projekt findet in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg statt, dessen Vertreter Dr. Beckmann und Dr. Fratz beim Vortrag ebenfalls anwesend waren und von den Schülerinnen und Schüler gleich zu Beginn des Vortrags begrüßt wurden. Dr. Beckmann gab dann für die anwesenden Zuhörer auch noch einmal eine kurze Einführung in die Struktur des Projekts.

Anschließend führten die verschiedenen Schülerinnen und Schüler der HolMOS-AG souverän, fachkundig und gut koordiniert durch den Abend. Sie erklärten, dass sie sich für die vielfältigen Themen und Arbeiten in verschiedene Gruppen aufgeteilt hätten, von denen eine auch das Projektmanagement und Controlling übernimmt. In diesem Bereich erhalten die Schülerinnen und Schüler Unterstützung von Seiten des TheoPrax-Zentrums am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal, dessen Vertreterin Frau Parissius ebenfalls anwesend war.

Eine weitere Gruppe beschäftigt sich z.B. mit der genauen Charakterisierung des für den Einsatz geplanten handelsüblichen Kosmos-Mikroskops, dessen Eigenschaften man sehr genau verstehen muss, um es für den vorgesehenen Zweck einsetzen zu können. Wieder andere Schülerinnen und Schüler arbeiten an der Aufnahme eines digitalen Bildes, das man dann zur 3D-Darstellung weiterverarbeiten kann. Hierzu kommt ein Rasperry-Pi mit entsprechendem Kamera-Modul zum Einsatz. Eine weiteres Arbeitsfeld ist das Verständnis von Lasern, das Finden einer kostengünstigen, aber dennoch qualitativ hochwertigen Laserquelle und die Frage, wie man diesen so mit Strom versorgen kann, dass er zuverlässig kohärent ist – eine Eigenschaft, die für die Holographie unabdingbar ist.

Diese Darstellung gibt nur wenige Aspekte dessen wieder, was die Schülerinnen und Schüler in Theorie und Vorführexperimenten beim Vortragsabend erklärt haben. Es war zu spüren, dass alle Beteiligten mit großem Engagement bei der Sache sind und dass die Schülerinnen und Schüler, die in der neunten bis dreizehnten Klasse sind und von ca. zehn verschiedenen Schulen kommen, sich bereits viel Fachwissen erarbeitet haben.

Nach über neunzig Minuten wohlkoordininierten Programms endete der Abend mit der Formulierung der weiteren Ziele seitens der AG-Teilnehmerinnen und -Teilnehmer. Die Seminarleitung dankte allen für das deutlich zu spürende Engagement und zeigte sich angesichts der vorgestellten Zwischenergebnisse sehr zuversichtlich für den weiteren Verlauf des Projekts.